DE102018220445A1 - Verfahren zum Stoßschweißen zweier Werkstücke mittels eines UKP-Laserstrahls sowie zugehöriges optisches Element - Google Patents

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Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Stoßschweißen zweier, insbesondere plattenförmiger Werkstücke (2), mittels mindestens eines gepulsten Laserstrahls (3), insbesondere UKP-Laserstrahls, der in das Werkstückmaterial fokussiert wird, um die beiden Werkstücke (2) im Bereich ihrer Fügefläche (8) lokal aufzuschmelzen, wird der Laserfokus (F) des in das Werkstückmaterial fokussierten Laserstrahls (3) quer zur Strahlrichtung (9) des Laserstrahls (3) bewegt, um im Bereich der Fügefläche (8) eine sich quer zur Strahlrichtung (9) des Laserstrahls (3) erstreckende Schweißnaht (10, 10) zu erzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stoßschweißen zweier, insbesondere plattenförmiger Werkstücke mittels mindestens eines gepulsten Laserstahls, insbesondere UKP-Laserstrahls, der in das Werkstückmaterial fokussiert wird, um die beiden Werkstücke im Bereich ihrer Fügefläche lokal aufzuschmelzen. Die Erfindung betrifft weiter ein Element das aus mindestens zwei miteinander Laser verschweißten Werkstücken zusammengefügt ist.
  • Ultrakurz gepulste (UKP) Laserstrahlung mit Pulsdauern kleiner als 500 ps, insbesondere im Femtosekundenbereich, wird zunehmend für die Materialbearbeitung eingesetzt. Die Besonderheit der Materialbearbeitung mit UKP-Laserstrahlung liegt in der kurzen Wechselwirkungszeit der Laserstrahlung mit dem Werkstück. Bedingt durch diese Wechselwirkungszeit lassen sich im Festkörper extreme thermodynamische Ungleichgewichte erzeugen, die dann zu einzigartigen Abtrags- oder Formationsmechanismen führen.
  • Das Laserschweißen von lasertransparenten Gläsern oder auch anderen, für den Laserstrahl transparenten, teiltransparenten oder streuenden Materialien, wie z.B. Kristalle, Polymere, Halbleiter, Keramik, mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht eine stabile Verbindung ohne zusätzlichen Materialeinsatz, ist aber durch laserinduzierte transiente sowie permanente Spannungen limitiert. Zum Stoßverbinden zweier lasertransparenter Werkstücke, wie zum Beispiel Gläser oder Kristalle wird ein zum Beispiel mittig in die Dicke der beiden Werkstücke fokussierter UKP-Laserstrahl entlang der Fügefläche bewegt, um die beiden Werkstücke im Bereich ihrer Fügefläche lokal aufzuschmelzen und dadurch im Material der beiden Werkstücke eine insbesondere durchgängige horizontale Schweißnaht zu erzeugen. Die Schweißnaht ist typischerweise durch eine von außen als Schweißblase erkennbare Schmelzzone gebildet, die vom Laserfokus ausgeht und sich entgegen der Richtung des einfallenden Laserstrahls tropfenförmig erstreckt. Zur Steigerung der Anbindungsfläche werden mehrere Schweißnähte in Bahnen nebeneinandergesetzt. Diese Art zu Schweißen ermöglicht gasdichte Schweißnähte und Fügeverbindungen mit hohen Festigkeiten und wird zum Fügen von zum Beispiel Schutzgläsern eingesetzt.
  • Hintergrund ist das lokale Aufschmelzen des Materials mittels ultrakurzer Laserpulse. Fokussiert man ultrakurze Laserpulse in das Volumen von Glas, z.B. Quarzglas, führt die im Laserfokus vorliegende hohe Intensität zu nichtlinearen Absorptionsprozessen, wodurch, in Abhängigkeit der Laserparameter, verschiedene Materialmodifikationen induziert werden können. Durch diese nichtlinearen Absorptionsprozesse werden angeregte Ladungsträger erzeugt, die in Folge quasi linear absorbieren. So entsteht lokal ein Plasma im Absorptionsbereich. Die Schmelzzone entsteht, wenn mehrere Pulse (mit hoher Repetitionsrate) mit Überlapp eingestrahlt werden, sodass sich die induzierte Wärme aufakkumuliert und das Material aufschmilzt. Nach dem Abkühlen entsteht so eine permanente Verbindung, wenn die Modifikation in der Grenzfläche der Fügepartner liegt. Die tatsächliche Schweißnaht (Größe des aufgeschmolzenen Bereichs) ist dabei i.A. größer als der Absorptionsbereich. Platziert man die Modifikation im Bereich der Grenzfläche zweier Gläser, generiert die abkühlende Schmelze eine stabile Verbindung beider Gläser. Aufgrund des sehr lokalen Fügeprozesses sind die laserinduzierten Spannungen typischerweise gering, wodurch auch in ihren thermischen Eigenschaften stark verschiedene Gläser verschweißt werden können. Auch können andere transparente Materialien wie Kristalle mit teilweise noch stärker abweichenden thermischen und mechanischen Eigenschaften miteinander bzw. mit Gläsern verschweißt werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Stoßschweißverfahren anzugeben, mit dem das Schweißergebnis weiter verbessert wird. Insbesondere sollen lasertransparente Werkstücke sicher miteinander verschweißt werden, auch wenn beispielsweise Defekte an einer der Oberflächen der Werkstücke vorliegen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Stoßschweißen zweier, insbesondere plattenförmiger Werkstücke mittels mindestens eines gepulsten Laserstahls, insbesondere UKP-Laserstrahls, gelöst, der in das Werkstückmaterial fokussiert wird, um die beiden Werkstücke im Bereich ihrer Fügefläche lokal aufzuschmelzen, wobei der Laserfokus des in das Werkstückmaterial fokussierten Laserstrahls quer zur Strahlrichtung des Laserstrahls bewegt wird, um im Bereich der Fügefläche eine sich quer zur Strahlrichtung des Laserstrahls erstreckende Schweißnaht zu erzeugen. Vorzugsweise weist der UKP-Laserstrahl Laserstrahlung mit Pulsdauern kleiner als 50 ps, bevorzugt kleiner 1ps, insbesondere im Femtosekundenbereich, auf und beträgt die Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls zwischen 10 fs und 500 ps.
  • Erfindungsgemäß wird dabei der Laserfokus längs und/oder quer zur Fügefläche bewegt. Dabei ist die Strahlrichtung des Laserstrahls beispielsweise parallel zur Fügefläche und/oder rechtwinklig zur Werkstückoberseite. Vorzugsweise ist die Geometrie des Laserstrahls auf die entsprechende Werkstückgeometrie abgestimmt und kann raumzeitlich geformt sein. Dies erlaubt es, Abschattungen oder mangelhafte Energieeinkopplung, beispielsweise durch Defekte im Material, zu vermeiden. Die Erfindung ermöglicht es, insbesondere dicke plattenförmige Werkstücke miteinander zu verschweißen. Vorzugsweise sind die Werkstücke aus Glas, insbesondere Quarzglas, aus Polymer, Glaskeramik, Kristallen oder Kombinationen davon und/oder mit opaken Materialien gebildet. Sie können ebenfalls Beschichtungen aufweisen die eine direkte Bestrahlung durch das Werkstück hindurch nicht erlauben würden.
  • Bei einer Querbewegung des Laserfokus wird der Laserfokus quer über die Fügefläche hinwegbewegt. Dadurch wird die im Fokusbereich induzierte Schmelze in die Fügezone getrieben und führt nach dem Abkühlen zu einer permanenten Verbindung beider Werkstücke. Es ist außerdem möglich, direkt oder nahe in die Fügefläche zu fokussieren und den Schweißprozess unter Vorschub entlang der Fügefläche, also längs der oberseitigen Fügelinie, durchzuführen. Es ist auch möglich, den Laserfokus gleichzeitig längs und quer zur Fügefläche zu bewegen, um so beispielsweise im Bereich der Fügefläche eine nicht geradlinige Schweißnaht zu bilden, deren Form sich durch die überlagerte Quer- und Längsbewegung des Laserfokus ergibt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Strahlprofil des eingestrahlten Laserstrahls räumlich und oder zeitlich angepasst. Dies bedeutet beispielsweise für räumliche Strahlprofile, dass ein gaußförmiges Strahlprofil verwendet oder aber das Strahlprofil so angepasst werden kann, dass ein räumliches Strahlprofil gewählt wird, das wesentliche Stahlanteile außerhalb der optischen Achse aufweist. Das kann beispielsweise zwei zur optischen Achse versetzte Fokuspunkte bedeuten. Eine weitere Möglichkeit, das Strahlprofil räumlich anzupassen, ist beispielsweise, den Laserstrahl schräg zur Fügefläche und/oder zur Werkstückoberseite einzustrahlen. Ein Beispiel für die zeitliche Anpassung des Strahlprofils ist zum Beispiel, dass der gepulste Laserstrahl in zeitlichen Intervallen eingestrahlt wird. Dies können kurze Pulszüge, sogenannte Bursts, sein. Hierdurch kann eine bessere Energieeinkopplung erreicht werden. Ein weiteres Beispiel für eine zeitliche und räumliche Anpassung des Strahlprofils des eingestrahlten Laserstrahls ist, dass mehrere quer zur Strahlrichtung zueinander versetzte Laserstrahlen eingestrahlt werden. Diese mehreren Laserstrahlen können beispielsweise quer zur Strahlrichtung zueinander parallelversetzt sein, sodass sich einzelne oder zusammenhängende Schweißbereiche ergeben und so eine größere Fläche in gleicher Zeit geschweißt werden kann und/oder eine größere longitudinale Schmelzmodifikation entsteht, die eine größere Fokuslagentoleranz ermöglicht. Die Laserfoki der mehreren Laserstrahlen können dabei in Strahlrichtung hintereinander versetzt sein, um so die Auswirkung eventueller Defekte an der Werkstückoberfläche oder an der Fügefläche zu minimieren. Die mehreren Laserstrahlen müssen aber nicht parallelversetzt verlaufen, sondern ihre Strahlachsen können besonders vorteilhaft im Werkstück zusammenlaufen, um mögliche Defekte zu umgehen. In diesem Fall werden die mehreren Laserstrahlen gemeinsam in einer Richtung bewegt, welche quer zu ihren jeweiligen Strahlrichtungen verläuft.
  • Die Anpassung des Strahlprofils wird dabei bevorzugt an die Gegebenheiten der Werkstücke angepasst. Beispielsweise kann die Ausdehnung der Schmelzzonen für das Schweißen von Werkstücken mit eventuellen Härtungsschichten in lateraler Richtung der Härtungsschichten oder in Richtung von Spannungsgradienten, senkrecht zu den Härtungszonen, lokalisiert werden.
  • Durch die räumliche und/oder zeitliche Anpassung von Strahlprofilen auf die Gegebenheiten der Werkstücke können beispielsweise Abschattungen, beispielsweise durch Totalreflexion an Spalten oder Übergängen an der Fügefläche der Werkstücke vermieden oder vermindert werden. Es können ebenfalls aberrationsbedingte Verluste verringert oder vermieden werden, die sich beispielsweise bei sphärischen Aberrationen beim Versatz der Grenzflächen der Werkstücke zueinander ergeben könnten.
  • Der Laserstrahl kann beispielsweise durch einen räumlichen Lichtmodulator oder einen akusto-optischen Deflektor (AOD) moduliert werden. Die AOD-Modulation kann hochdynamisch während des Schweißprozesses erfolgen. Das Absorptionsgebiet des Laserstrahls in den Werkstücken kann beispielsweise aktiv durch strahlformende Elemente, wie z.B. diffraktiv optische Elemente, räumliche Lichtmodulatoren und/oder durch akusto-optische Deflektoren, verändert werden.
  • Eine zeitliche Absorptionsdynamik kann durch das Einstrahlen des Laserstrahls in zeitlichen Intervallen erfolgen, beispielsweise durch kurze Laserpulszüge, sogenannte Bursts. Hierdurch kann nicht nur die Absorptions- und/oder die Schmelzgeometrie verändert werden, sondern auch die Abkühldynamik, um so beispielsweise die Abkühlrate und die finale fiktive Temperatur des Werkstoffes zu modifizieren.
  • Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein mit dem erfindungsgemäßen Stoßschweißen aus mindestens zwei Werkstücken zusammengefügtes optisches Element. Die Werkstücke sind dabei miteinander mittels mindestens einer Schweißnaht im Bereich der Fügefläche miteinander verschweißt. Die Schweißnaht verläuft dabei in Längsrichtung und/oder in Querrichtung zur Fügefläche.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • 1 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine zum erfindungsgemäßen Stoßschweißen zweier Werkstücke mittels eines Laserstrahls;
    • 2a-2c schematisch eine Schnittansicht zweier plattenförmiger Werkstücke, die mittels eines gaußförmigen Laserstrahls miteinander verschweißt werden, dessen Laserfokus quer zur Fügefläche ( 2a), parallel zur oberseitigen Fügelinie (2b) sowie quer zur Fügefläche und parallel zur oberseitigen Fügelinie (3c) bewegt wird; und
    • 3a-3c schematisch eine Schnittansicht zweier plattenförmiger Werkstücke, die mittels eines schräg gestellten, gaußförmigen Laserstrahls (3a), eines ringförmigen Laserstrahls (3b) und dreier parallel nebeneinander verlaufender, gaußförmiger Laserstrahlen (3c) miteinander verschweißt werden.
  • Die in 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zum Stoßschweißen zweier im Stumpfstoß aneinander anliegender, plattenförmiger Werkstücke 2 mittels eines Laserstrahls 3. Die beiden Werkstücke 2 sind beispielsweise aus Glas, insbesondere Quarzglas, aus Polymer, Glaskeramik, Kristallen oder aus Kombinationen davon und/oder mit opaken Materialien gebildet, und/oder damit beschichtet.
  • Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen UKP-Laser 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3 in Form von UKP-Laserpulsen 5 mit Pulsdauern kleiner 500 ps, insbesondere in Form von Femtosekundenpulsen, und einen in X-Y-Z-Richtung bewegbaren Laserbearbeitungskopf 6 mit einer Fokussieroptik 7 zum Fokussieren des unten aus dem Laserbearbeitungskopf 6 austretenden Laserstrahls 3. Alternativ oder zusätzlich kann auch die zu schweißende Baugruppe aus den beiden Werkstücken 2 in X-Y-Richtung bewegt werden.
  • Die Fokussieroptik 7 kann das Strahlprofil des Laserstrahls 3 räumlich und/oder zeitlich anpassen. Hierfür kann die Fokussieroptik 7 beispielsweise einen räumlichen Lichtmodulator und/oder akusto-optische Deflektoren, AOD, umfassen. In der Fokussieroptik 7 kann das Absorptionsgebiet aktiv angepasst werden, beispielsweise durch strahlformende Elemente, wie z.B. diffraktiv optische Elemente, räumliche Lichtmodulatoren oder AOD. Dies kann auch hochdynamisch während des Stoßschweißens selbst passieren. Alternativ oder ergänzend zu der zeitlichen Modulation der Pulsparameter oder auch zu der Erzeugung von Pulszügen direkt aus dem Laser kann die Fokussieroptik 7 außerdem die zeitliche Absorptionsdynamik durch kurze Laserpulszüge, sogenannte Bursts, modifizieren und dadurch die Absorptions- und/oder Schmelzgeometrie direkt verändern oder indirekt durch angepasste Abkühldynamik verändern. Die indirekte Anpassung der Abkühldynamik kann beispielsweise erfordern, die Abkühlrate anzupassen, sodass die finale fiktive Temperatur des Glases, beeinflusst durch die Dichteänderung und somit durch die induzierte Spannung, modifiziert wird. Ebenso kann der Laserstrahl 3 durch die Fokussieroptik 7 bezüglich der optischen Achse versetzt werden.
  • Beim Stoßschweißen der beiden Werkstücke 2 wird der Laserstrahl 3 rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig auf die dem Laserbearbeitungskopf 6 zugewandte Werkstückoberseite 2a gerichtet und im Bereich der gemeinsamen Fügefläche 8 der beiden Werkstücke 2 in das Werkstückmaterial fokussiert, um die beiden Werkstücke 2 im Bereich der Fügefläche 8 lokal aufzuschmelzen. Dabei wird der Laserfokus F des Laserstrahls 3 rechtwinklig zur Strahlrichtung 9 des Laserstrahls 3 bewegt, um im Bereich der Fügefläche 8 eine sich rechtwinklig zur Strahlrichtung 9 des Laserstrahls 3 erstreckende Schweißnaht 101 , 102 zu erzeugen. Die Schweißnaht kann sich dabei quer zur Fügefläche 8 (Quernaht 101 ) oder längs bzw. parallel zur oberseitigen Fügelinie 11 der beiden Werkstücke 2 (Längsnaht 102 ) erstrecken. Bei der Längsbewegung kann sich der Laserfokus F an der Fügefläche 8 oder nahe der Fügefläche 8 im Material eines der beiden Werkstücke 2 befinden. Bei der Querbewegung bewegt sich der Laserfokus F vom Werkstückmaterial des einen Werkstückes 2 ins Werkstückmaterial des anderen Werkstückes 2 und passiert dabei die Fügefläche 8. Auch eine kombinierte Längs- und Querbewegung des Laserfokus ist möglich, um so beispielsweise eine schlangenlinien- oder zickzackförmige Schweißnaht zu erzeugen.
  • Die 2a-2c zeigen jeweils eine Schnittansicht zweier plattenförmiger Werkstücke 2, die mittels eines gepulsten Laserstrahls 3 mit z.B. gaußförmigem Strahlprofil miteinander verschweißt werden. Der Laserstrahl 3 wird parallel zur Fügefläche 8 und rechtwinklig auf die Werkstückoberseite 2a eingestrahlt. Durch den in das Werkstückmaterial fokussierten Laserstrahl 3 wird in dem Werkstückmaterial eine tropfenförmige Schmelzzone 12 um den Laserfokus F herum aufgeschmolzen.
  • In 2a wird der Laserfokus F rechtwinklig zur Fügefläche 8 in Richtung A und über die Fügefläche 8 hinwegbewegt, um so eine über die Fügefläche 8 hinweg verlaufende Schweißnaht 101 zu erzeugen. Statt der gezeigten linearen Querbewegung des Laserstrahls 3 in Richtung A kann der Laserstrahl 3 auch um eine zu seiner Einfallsrichtung parallele Achse rotiert werden, um so eine ringförmige Schweißnaht zu erzeugen, welche die Fügefläche 8 zweimal schneidet. Weiterhin alternativ kann der Laserstrahl 3 zusätzlich zu seiner gezeigten linearen Querbewegung in Richtung A auch um eine zu seiner Einfallsrichtung parallele Achse rotiert werden, um so eine zykloidförmige bzw. eine breitere Schweißnaht zu erzeugen, welche die Fügefläche 8 schneidet.
    In 2b wird der Laserfokus F parallel zur oberseitigen Fügelinie 11 in Vorschubrichtung B bewegt, um so im Bereich der Fügefläche 8 eine entlang der Fügefläche 8 verlaufende Schweißnaht 102 zu erzeugen.
  • In 2c wird der Laserfokus F sowohl rechtwinklig zur Fügefläche 8 oszillierend hin- und her bewegt (Doppelpfeil C) als auch parallel zur oberseitigen Fügelinie 11 in Vorschubrichtung B bewegt, um so im Bereich der Fügefläche 8 beispielsweise eine schlangenlinien- oder zickzackförmige Schweißnaht 103 zu erzeugen. Statt der translatorischen Querbewegung des Laserstrahls 3 in Richtung A kann der Laserstrahl 3 auch pendelnd hin- und her verschenkt oder auch um eine zu seiner Einfallsrichtung parallele Achse rotiert werden. Im letzteren Fall wird durch die der linearen Vorschubbewegung überlagerte Rotation des Laserstrahls 3 eine zykloidförmige bzw. eine breite Schweißnaht in Vorschubrichtung B erzeugt.
  • Von 2a unterscheidet sich die 3a lediglich dadurch, dass hier der Laserstrahl 3 schräg zur Fügefläche 8 und zur Werkstückoberseite 2a eingestrahlt und quer zur Strahlrichtung des Laserstrahls 3 in Richtung A bewegt wird. Der Winkel α zwischen Laserstrahl 3 und Fügefläche 8 beträgt z.B. 10° bis 20°. Durch diesen schräggestellten Laserstrahl 3 ist es möglich, eventuelle Defekte 13 an der Werkstückoberfläche 2a oder an der Fügefläche 8 zu umgehen und trotzdem ein gutes Schweißergebnis zu erreichen. Statt der gezeigten translatorischen Querbewegung des Laserstrahls 3 in Richtung A kann der schräg gestellte Laserstrahl 3 auch pendelnd hin- und her verschenkt oder um eine zu seiner Einfallsrichtung parallele Achse rotiert werden.
  • Von 3a unterscheidet sich die 3b lediglich dadurch, dass hier der Laserstrahl 3 ein auf einer ringförmigen Winkelverteilung basierendes Strahlprofil, z.B. eine Bessel-Form, aufweist. Dieses Strahlprofil bzw. die Bessel-Form weist wesentliche Strahlanteile außerhalb der optischen Achse des Laserstrahls 3 auf. Dadurch ist es möglich, die Auswirkung eventueller Defekte 13 an der Werkstückoberfläche 2a oder an der Fügefläche 8 zu minimieren und ein gutes Schweißergebnis zu erreichen. Statt wie in 3b schräg, kann der Laserstrahl 3 auch wie in 2a rechtwinklig auf die Werkstückoberseite 2a eingestrahlt werden. Auch dann ist der störende Einfluss von Oberflächendefekte 13 am Stoß reduziert (wenn auch nicht im vollen Winkelbereich).
  • Von 2a unterscheidet sich die 3c lediglich dadurch, dass hier mehrere, hier lediglich beispielhaft drei, gepulste Laserstrahlen 3 mit z.B. gaußförmigem Strahlprofil eingestrahlt werden. Die Laserstrahlen 3 sind in Richtung 3 zueinander parallelversetzt, und ihre Laserfoki F sind in Strahlrichtung 9 hintereinander versetzt. Die Laserstrahlen 3 werden gemeinsam in Richtung A rechtwinklig zur Fügefläche 8 über die Fügefläche 8 hinwegbewegt, um so mehrere in Tiefenrichtung parallelversetzte Schweißnähte 101 zu erzeugen. Durch diese mehreren Laserstrahlen 3 ist es ebenfalls möglich, gute Schweißergebnisse zu erzielen, auch bei vorliegenden Defekten 13 in den Werkstücken 2.
  • Statt der in 3a bis 3c gezeigten translatorischen Querbewegung des Laserstrahls 3 in Richtung A kann der schräg gestellte Laserstrahl 3 in den 3a und 3b bzw. die mehreren Laserstrahlen 3 auch pendelnd hin- und her verschenkt oder um eine zur Einfallsrichtung parallele Achse rotiert werden.
  • Zusätzlich zu den in den 2 und 3 gezeigten Quer- und Längsbewegungen des Laserstrahls 3 kann der Laserfokus F des Laserstrahls 3 auch in und entgegen der Strahlrichtung bewegt werden, um so eine in der Werkstücktiefe variierende Schweißnaht zu erzeugen.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Stoßschweißen zweier, insbesondere plattenförmiger Werkstücke (2), mittels mindestens eines gepulsten Laserstrahls (3), insbesondere UKP-Laserstrahls, der in das Werkstückmaterial fokussiert wird, um die beiden Werkstücke (2) im Bereich ihrer Fügefläche (8) lokal aufzuschmelzen, wobei der Laserfokus (F) des in das Werkstückmaterial fokussierten Laserstrahls (3) quer zur Strahlrichtung (9) des Laserstrahls (3) bewegt wird, um im Bereich der Fügefläche (8) eine sich quer zur Strahlrichtung (9) des Laserstrahls (3) erstreckende Schweißnaht (101, 102, 103) zu erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laserstrahl (3) parallel zur Fügefläche (8) und/oder rechtwinklig zur Werkstückoberseite (2a) eingestrahlt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfokus (F) des in das Werkstückmaterial fokussierten Laserstrahls (3) längs und/oder quer zur Fügefläche (8) bewegt wird, um im Bereich der Fügefläche (8) eine Schweißnaht (101, 102, 103) zu erzeugen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) ein gaußförmiges Strahlprofil oder ein auf einer ringförmigen Winkelverteilung basierendes Strahlprofil, insbesondere eine Bessel-Form, aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) schräg zur Werkstückoberseite (2a) und/oder zur Fügefläche (8) eingestrahlt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere quer zur Strahlrichtung (9) zueinander versetzte, insbesondere zueinander parallelversetzte Laserstrahlen (3) in das Werkstückmaterial fokussiert werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserfoki (F) der mehreren Laserstrahlen (3) in Strahlrichtung (9) hintereinander versetzt sind.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate des gepulsten Laserstrahls (3) zwischen 1 kHz und 500 GHz beträgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls (3) zwischen 10 fs und 500 ps beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer Querbewegung der Laserstrahl (3) pendelnd hin- und her verschenkt oder um eine zur Einfallsrichtung parallele Achse rotiert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfokus (F) des Laserstrahls (3) in und/oder entgegen der Strahlrichtung bewegt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der UKP-Laserstrahl (3) Laserstrahlung mit Pulsdauern kleiner als 50 ps, bevorzugt kleiner 1ps, insbesondere im Femtosekundenbereich, aufweist.
  13. Element, das aus mindestens zwei miteinander laserverschweißten, insbesondere plattenförmigen Werkstücken (2) gebildet ist, die an mindestens einer Fügefläche (8) zusammengefügt sind, gekennzeichnet durch mindestens eine Schweißnaht (101, 102, 103) im Bereich der Fügefläche (8), die in Längsrichtung und/oder in Querrichtung zur Fügefläche (8) verläuft.
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KR1020217018938A KR20210093997A (ko) 2018-11-28 2019-11-19 초단파 펄스 레이저 빔에 의해 2개의 피공작물을 맞대기 이음 용접하기 위한 방법 및 관련 광학 요소
US17/331,089 US20210276127A1 (en) 2018-11-28 2021-05-26 Butt welding of two workpieces with an ultrashort pulse laser beam, and associated optical elements

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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114434808A (zh) * 2021-12-29 2022-05-06 深圳泰德激光技术股份有限公司 透明塑料的焊接方法、装置及计算机可读存储介质

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010070388A (ja) * 2008-09-16 2010-04-02 Olympus Corp レーザ加工装置およびレーザ加工方法
DE102010038554A1 (de) * 2010-07-28 2012-02-02 Osram Ag Optoelektronisches Halbleiterbauelement und zugehöriges Herstellverfahren
US20130008880A1 (en) * 2010-03-16 2013-01-10 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Pulse laser device, transparent member welding method and transparent member welding apparatus
US20130068384A1 (en) * 2011-09-21 2013-03-21 Polaronyx, Inc. Method and Apparatus for Three Dimensional Large Area Welding and Sealing of Optically Transparent Materials
US20130344302A1 (en) * 2011-01-10 2013-12-26 David Hélie Laser reinforced direct bonding of optical components
KR101453855B1 (ko) * 2013-08-21 2014-10-24 한국기계연구원 극초단 펄스 레이저를 이용한 다중 부재의 접합 방법
CN108609841A (zh) * 2018-04-10 2018-10-02 华中科技大学 一种适用于玻璃的焊接方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0557467A (ja) * 1991-09-05 1993-03-09 Toyota Motor Corp 異板厚素材のレーザ溶接方法
US9138913B2 (en) * 2005-09-08 2015-09-22 Imra America, Inc. Transparent material processing with an ultrashort pulse laser
US9067278B2 (en) * 2013-03-29 2015-06-30 Photon Automation, Inc. Pulse spread laser
US20160016261A1 (en) * 2013-03-29 2016-01-21 Photon Automation, Inc. Laser welding system and method
DE102014203845A1 (de) * 2014-03-03 2015-09-03 BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH Verfahren zum laserinduzierten Fügen eines glasartigen Fügepartners mit einem artfremden Fügepartner mithilfe ultrakurzer Laserpulse
DE102014210486B4 (de) * 2014-06-03 2016-08-04 Lpkf Laser & Electronics Ag Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner aus thermoplastischen Kunststoffen entlang einer Schweißnaht mittels Laser
JP6089323B2 (ja) * 2014-09-26 2017-03-08 日新製鋼株式会社 差厚材のレーザ溶接方法
CN107708914B (zh) * 2015-06-19 2021-05-28 Ipg光子公司 具有提供光束移动功能的双可移动反射镜的激光焊接头
DE102017201495A1 (de) * 2017-01-31 2018-08-02 Robert Bosch Gmbh Laserschweißverfahren zum Erzeugen einer Schweißnaht auf einer Oberfläche einer Materialanordnung; Laserschweißvorrichtung

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010070388A (ja) * 2008-09-16 2010-04-02 Olympus Corp レーザ加工装置およびレーザ加工方法
US20130008880A1 (en) * 2010-03-16 2013-01-10 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Pulse laser device, transparent member welding method and transparent member welding apparatus
DE102010038554A1 (de) * 2010-07-28 2012-02-02 Osram Ag Optoelektronisches Halbleiterbauelement und zugehöriges Herstellverfahren
US20130344302A1 (en) * 2011-01-10 2013-12-26 David Hélie Laser reinforced direct bonding of optical components
US20130068384A1 (en) * 2011-09-21 2013-03-21 Polaronyx, Inc. Method and Apparatus for Three Dimensional Large Area Welding and Sealing of Optically Transparent Materials
KR101453855B1 (ko) * 2013-08-21 2014-10-24 한국기계연구원 극초단 펄스 레이저를 이용한 다중 부재의 접합 방법
CN108609841A (zh) * 2018-04-10 2018-10-02 华中科技大学 一种适用于玻璃的焊接方法

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